JPH0763677B2

JPH0763677B2 - 超音波ホ−ン装置

Info

Publication number: JPH0763677B2
Application number: JP61500477A
Authority: JP
Inventors: エルバート，ローレンス・エミル; アーウイン，チヤールズ・サミユエル
Original assignee: バクスター・ダイアグノスティックス・インコーポレイテッド
Priority date: 1985-02-01
Filing date: 1985-12-23
Publication date: 1995-07-12
Anticipated expiration: 2010-07-12
Also published as: EP0211007A4; JPS62501543A; CA1238215A; EP0211007A1; US4607185A; WO1986004737A1

Description

【発明の詳細な説明】発明の背景利用分野本発明は超音波ホーン装置に係り、特に、少なくとも部
分的に液体浴に浸かり、その液体浴中において、液体溶
媒および試薬タブレットを収容したキューベットがホー
ンの前を通過し、その際に伝播される超音波によって各
キューベット中のタブレットが液体溶媒に溶解するよう
にした装置に関する。

従来の技術超音波ホーン装置が、その前を幅方向に沿って順次送ら
れる多数のキューベット中で液体溶媒に試薬タブレット
を溶解させるために、臨床分析装置において使用されて
いることは、知られている。そのような臨床分析装置の
１例が、本願出願人に譲渡された1984年２月１日付出願
の米国特許出願第575,924号に開示されており、その内
容はこの明細書に含まれているものとする。

従来の超音波ホーン装置は全体として長方形のホーン本
体を備え、このホーン本体は、音波を送出するための前
端面と、対称配置の一対の圧電結晶すなわちコンバータ
を装置した後端面とを有する。公知のホーン本体の高さ
は、その後端面において3.81cmであり、前端面において
は0.64cmであり、従って利得ファクターはほぼ1:6であ
る。

従来のホーン装置の問題は、その前端面から伝播される
音波の振幅が幅方向に不均一なことである。この不均一
性のために、幅方向に沿って送られるキューベット内で
のタブレットの溶解が常に確実にできるとは限らない。

発明の概要本発明は、上記した従来の超音波ホーン装置における欠
点を解決した装置を提供するものである。

本発明によれば、ホーン本体の前端面から送出される超
音波の振幅が、ホーン本体のの前端面の幅方向（長さ方
向）に沿って十分に均一であるようにした超音波ホーン
装置が提供される。本発明の超音波ホーン装置では、単
一のコンバータを使用するので、複数のコンバータを使
用した場合に、それらの特性を一致させる必要や、それ
らを均一に駆動する必要から解放される。本発明では、
単一のコンバータは、ホーン本体の後端面の幅方向の中
央に位置させられ、与えられる電気エネルキーに応じて
ホーン本体の後端面に振動を与える。一対の共振要素
が、ホーン本体の後端面の両端部領域それぞれに固定さ
れ、これらの一対の共振要素により、ホーン本体の前端
面から送出される音波の振幅が、ホーン本体の前端面の
幅方向に沿って十分に均一となる。

このようにして、本発明によれば、ホーン本体の前端面
の幅方向に沿って送られるキューベットの内容物に効率
的に超音波エネルギーが作用し、試薬タブレットを確実
に溶解させることが可能となる。

図面の簡単な説明第１図は、本発明の超音波ホーンを、キューベットとと
もに示す斜視図であり、第２図は、第１図の超音波ホーンを、一部断面で示す平
面図であり、第３図は、第１図の超音波ホーンの一部をなすコンバー
タを、一部断面で示す拡大図である。

発明の詳細な説明第１図において、超音波ホーン装置10は、ホーン本体12
と、駆動ユニットすなわちコンバータ・ユニット14と、
一対の細長い共振要素16a,16bとを有する。共振要素16
a,16bは、適切な形、例えば第１図に示されるような円
筒形に作ることができる。第１図は、超音波ホーン装置
10の動作環境も示しており、一連のキューベット20のバ
ンドないしベルト18が、ホーン本体12の前端面22に沿っ
て送られている状態が示されている。

第２図から明らかなように、コンバータ14および共振要
素16a,16bは、それらの一端面で、ホーン本体12の後端
面24に取り付けられている。

ホーン本体12は、全体として長方形であり、アルミニウ
ム，ステンレス鋼など適切な材料で形成できる。ホーン
本体12は、好ましくは、チタン合金6A1−4Vで構成され
る。ホーン本体12にチタン合金を使用することにより、
動作時のキャビテーションに起因して生じる腐食の防止
用に、ホーン本体にプラスチック・コーティングを施す
という従来の必要性を避けることが可能であると判明し
た。すなわち、上述のチタン合金は、自動臨床分析装置
などでの使用においてホーン本体が置かれる水浴に含ま
れる殺菌剤のような抗菌剤により、侵され難いことが見
いだされた。アルミニウム製の従来のホーン本体では、
キャビテーションの影響を抑えるためのポリウレタン・
コーティング自体が、殺菌剤溶液で腐食された。

知る限りでは、熱処理されたチタンが超音波ホーン本体
に使用されたことはない。インコネル（アニールされた
ものでも良いが、好ましくは熱処理されたもの）を使用
しても、少なくとも同じ耐腐食性を得られることも見い
だされた。（使用時間経過に伴う）体積減耗に関して
は、熱処理されたチタンは、熱処理されたインコネルと
互角であることが見いだされた。熱処理されたチタン
は、アルミニウムに比べて、コーティングを施さない点
でホーン本体の製造において有利であり、通常のアニー
ルされたチタンよりも優れていることが分かった。熱処
理されたインコネルは、耐腐食性において熱処理された
チタンよりも優れているが、チタンよりも相当に高価で
あり、加工が著しく困難である。

アニールされたチタン製の３つのホーン本体でのテスト
では、実用期間が1000時間を越えることが分かり、熱処
理されたチタンをホーン本体に使用すれば２〜３倍の実
用期間の実現が期待できる。

この実施例のホーン本体12によれば、利得ファクターは
1:3となる。すなわち、後端面24は、前端面22の約３倍
の高さとなっている。ホーン本体12の典型的な寸法は、
その全幅Ｗが8.89cm,全奥行きＤが8.26cm,前端面の高さ
H_Fが0.64cm,後端面の高さH_Rが1.91cmである。

第１図を参照して、ホーン本体12は、後端面24を含む、
全体として長方形の本体後半部分26と、前端面22を含
む、全体として長方形の本体前半部分28とから成る。本
体後半部分26と本体前半部分28とは一体に形成されて、
厚み変化領域30が作られる。その厚み変化領域30におい
て、本体後半部分26のほぼ一様な高さ（厚み）が減少し
て本体前半部分28のほぼ一様な高さ（厚み）へと移行す
る。好ましくは、厚み変化領域が、ホーン本体12の前端
面22から音波が送出されている時の節の面に一致するよ
うにする。この実施例では、本体後半部分26の奥行きD_R
は3.89cmである。また、ホーン本体12の前端面22および
後端面24は、ホーン本体12から音波送出時の腹の面に一
致しているのが好ましい。

ホーン本体12は、その厚み（高さ）方向に貫通した一対
の細長い穴32a,32bを有する。それらの穴32a,32bは、前
端面22と後端面24に垂直な中央線を挟んでそれから等距
離の位置に、相互に平行に延びている。穴32a,32bは、
ホーン本体を通る振動の好ましくないモードを減衰させ
るよう形成される。熱処理されたチタン合金がホーン本
体に使用されているこの実施例では、穴32a,32bの最適
な寸法は長さ5.16cm、幅0.66cmであり、穴32a,32bの後
端が後端面24からほぼ1.70cmに位置し、その長手方向に
延びる穴の中心線がホーン本体の中央線からほぼ1.59cm
に位置しているのが最適であった。

通常、ホーン本体が6.35cmより幅広であると、横断方向
ないし対角線方向の振動が生じる。穴32a,32bのよう
に、１つ以上の穴を設けることは、振動の伝播を、ホー
ン本体の長手方向（前端面22に垂直な方向）に制限する
のに役立つ。

前述したように、この実施例のホーン本体12の幅Ｗは約
8.89cmである。第１図に示されるように、本発明の超音
波ホーン装置10の用途では、一連のキューベット20が、
前端面22に平行に、前端面22から比較的小さな距離だけ
離間して送られる。各キューベット20は、自動分析装置
での典型的な速度で移動するものとすると、（ホーン本
体12の幅Ｗが約8.89cmであるとして）前端面22から伝播
される超音波に約45秒間だけ曝される。

基本的に、各キューベット20が前端面22からの超音波に
曝される時間が長くなれば、キューベット内の液体溶媒
に試薬粉のタブレットを溶解するのに要する超音波の強
度は小さくなる。従って、前端面22の幅が大きくなれ
ば、所与の超音波出力レベルにおける、キューベット中
でのタブレットの溶解が、より確実になる。タブレット
が古くなると、新鮮なものに比べて、溶解し難くなるか
ら、より確実に溶解できることは重要である。この実施
例の超音波ホーン装置では、試薬タブレットは、前端面
22の前を約10秒間通過すると溶解することが、見い出さ
れた。本発明の超音波ホーン装置で実現される45秒間の
超音波の曝射は、溶解しにくいタブレットでも十分な程
度に溶解させる。

穴32a,32bと、以下に説明する共振要素16a,16bとの使用
によって、前端面22の付近の超音波エネルギーは、キュ
ーベット20の移動経路に沿ってほぼ一定である。このよ
うに一定であることは重要である。なぜなら、もし、超
音波エネルギーが一定でないと、キューベット20内での
試薬タブレットの溶解が不完全となってしまい、濁った
状態となる可能性が常にあるからである。

コンバータ14の構造を第３図により明確に示す。コンバ
ータ14は、円筒形後部40と円筒形前部42および円筒形結
晶装置46を有する。円筒形前部42の端部44はホーン本体
12の後端面24に接触するよう構成され、結晶装置46の一
方の端面48が円筒形前部42の他方の端部50に接してお
り、結晶装置46の他方の端面52は円筒形後部40の端部54
に接している。円筒形後部40と円筒形前部42および結晶
装置46は、コンバータ14全体を貫通する軸口56が形成さ
れるよう、軸穴をそれぞれする。ねじ要素58が軸口56に
挿入されて円筒形前部42に設けたねじ山に螺合する。こ
の螺合とねじ要素58の（円筒形後部40に係合する）頭と
により、ねじ要素58を締めると、円筒形後部40と円筒形
前部42とは、結晶装置46の端面それぞれにクランプされ
る。

好ましい実施例においては、円筒形後部40はステンレス
鋼（タイプ416）で作られている。外径が3.85cmで、長
さ2.41cmである。円筒形後部40は、たとえば4.13cm の直径のステンレス鋼の棒材から機械加工される。

円筒形前部42は、アルミニウム合金（タイプ7505−T65
1）製で、円筒形後部40と同径であり、長さが3.42cmで
ある。円筒径前部も4.13cm 径の棒材から作られる。

円筒径前部42の軸穴の前端部に別のネジ山が設けられ、
ホーン本体12の後端面から垂直に延びる植え込みボルト
64（第２図）のねじに螺合する。したがって、ねじ要素
58の長さは、コンバータ14を植え込みボルト64に約3.46
Kg・ｍ（25フット・ポンド）のトルクで取付たときに、
植え込みボルト64の先端に接触しないように選定する。

円筒形後部40と円筒形前部42の素材および寸法を上述の
ように設定した場合、円筒形後部40の音響インピーダン
スは、円筒形前部42の音響インピーダンスの2.5倍であ
る。この特性により、アルミニウムで作られている実施
例の円筒形前部42が、円筒形後部40よりも大きい振幅で
振動し、コンバータにビルトインゲインを与える。すな
わち、円筒形後部40の後の端面はほとんど振動せず、円
筒形前部42の前端面44は、円筒形後部40の前の端面の2.
5倍の振幅で振動する。このようなビルトインゲインに
よって、ホーン本体12のゲインは、本発明では、従来の
６から３へと下げることができる。

結晶装置46は、圧電材料製で軸を揃えて並置した２つの
円筒形ディスク70a,70bと、これらの円筒形ディスク70
a,70bの相互に対向する面の間にに挟まれた金属シム74
とから成り、金属シム74は、円筒形ディスク70a,70bの
対向する面に電位を与える。これらの円筒形ディスク70
a,70bは、同径で直径が3.81cmであり、高さは（厚さ）
は0.64cmである。これらディスクは、Vernitron Piezoe
lectic Division社（オハイオ州ベッドフォード）また
はChannel Industries社（カリフォルニア州サンタバー
バラ）から入手できる周知の材料PZT4で作ることができ
る。ディスク70a,70bは、高周波数の交流（例えば、500
〜600ボルトの30kHz）で駆動可能でなければならず、75
〜100ワットの入力を扱えるものが良い。

接点用のシム74は、例えばベリリウム銅の板を接続端子
を外周に設けた大型のワッシャ状に形成したものとする
ことができる。シム74の厚みは、0.0127〜0.0254cm（5/
1000〜1/100インチ）のオーダーである。従って、圧電
材料製ディスク70a,70bの対向する面にはシム74により
電位が印加され、ディスク70a,70bの他の面は、金属の
円筒形後部40および円筒形前部42の共通電位に維持され
る。ネジ要素58により、円筒形後部40は、円筒形前部42
が植え込みボルト64で直接にクランプされるホーン本体
12の電位に維持される。かくして、２つの結晶ディスク
70a,70bは、電気的には並列に接続される。結晶装置46
は、ホーン本体12から音波が送出される際に節となる面
にほぼ一致する位置に置かれる。

共振要素16a,16bは全体として円筒形で、例えば直径1.9
1cmのステンレス鋼棒材（タイプ416）から作ることがで
きる。共振要素の長さは、音波の動作波長の1/2である
のが好ましい。共振要素は、ホーンの安定性の点、音波
エネルギーのレベルをホーン本体12の前端面22に沿って
ほぼ均一に分布させる点において、本発明の超音波ホー
ン装置10にとって重要な構成要素である。さらに、共振
要素は図示しないハウジングに超音波ホーン装置10全体
を装着する手段としても機能する。さらに共振要素16a,
16bおよび円筒形後部40に磁気ステンレス鋼を使用する
ことにより、それらの後端面の振動を、（図示しない）
バリアブル・レラクタンス型の磁気ピックアップで検出
でき、コンバータ駆動用の交流源のフィード・バック回
路に利用できる。

第１図および第２図に示されるように、共振要素16a,16
bそれぞれは、図示しない水密のハウジング内に超音波
ホーン装置10の全体を組み込むためのＯ−リングのよう
な装着部材を嵌めるため装着溝70a,70bを外周部に有す
る。本発明の超音波ホーン装置10を収容するハウジング
の詳細は、本発明の理解には不要であるので省略する。
超音波ホーン装置の用途に応じて異なった構造のハウジ
ングが適切であるが、超音波ホーン装置10の装着手段の
特徴の如何にかかわらず、装着用溝70a,70bは、音波が
ホーン本体12から送出されるときの節の面にほぼ一致す
る位置に形成するのが好ましい。この実施例において
は、共振要素16a,16bの全長は約8.64cmであり、装着用
溝70a,70bはホーン本体側の各端面から4.19cmのところ
に位置している。

各共振要素16a,16bは、ホーン本体側端面でホーン本体1
2に植え込みボルト72a,72bで固定される。植え込みボル
ト72a,72bは、コンバータ14をホーン本体12に固定する
植え込みボルト64と同様のものである。すなわち、各共
振要素16a,16bは、ホーン本体側端面に植え込みボルト7
2a,72bに螺合するネジ穴を備えている。この実施例で
は、植え込みボルト72a,72bの中心線は、ホーン本体12
の幅方向の端面から約0.95cmのところに位置している。

共振要素16a,16bは、音波のレベルを、ホーン本体12の
前端面22の幅方向に沿ってほぼ均一に保つことが見いだ
された。これに対して、共振要素がないと、音波の振幅
は、前端面22の幅方向の両端部および中央において相当
に小さくなってしまう。

本発明では、単一のコンバータ14を使用するから、２以
上のコンバータを用いていた従来の装置では必要とされ
た、２以上のコンバータのマッチングが不必要である。
従来必要とされたマッチングは、製造過程において不可
能ではないにしても困難であったので、単一のホーン本
体にマッチングの不十分な複数のコンバータが存在する
ことになり、ホーン本体から不均一な出力が生じる不都
合を生じていた。本発明の超音波ホーン装置では単一の
コンバータ14を使用できるから、かかる不都合を解決で
き、さらに駆動回路も単一でよく、生産性の向上が達成
される。

叙上の実施例においては共振要素16a,16bはステンレス
鋼製であるが、ステンレス鋼には限られず、必要なこと
は、音響インピーダンスが比較的高い材料で、所定の長
さに達成することである。磁気ステンレス鋼を使用する
と、コンバータの駆動装置へのフィードバック信号が容
易に得られることについては、前記した通りである。

本発明は、上記した実施例に限定されるものではなく、
本発明の精神から逸脱しない範囲で種々の変形ないし変
更が可能である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】キューベット中の試薬タブレットの溶解に
使用する超音波ホーン装置であって、前端面および後端面を有する全体として長方形のホーン
本体にして、前記後端面に加えられる振動に応じて、音
波を、前記前端面の近傍を移動する前記キューベットの
内容物に作用させるよう、前記前端面からほぼ垂直に送
出するホーン本体と、前記ホーン本体の前記後端面にその幅方向中央部に固定
され、与えられる電気エネルギーに応じて前記ホーン本
体に前記振動を加えるコンバータ手段と、前記ホーン本体から送出される音波の半波長に等しい音
響長をそれぞれ持つ一対の共振手段にして、前記後端面
の幅方向両端領域にそれぞれ固定されて、前記後端面か
ら垂直に延びており、前記前端面からほぼ垂直に送出さ
れる音波の振幅が、前記前端面の幅方向に沿ってほぼ均
一となるようにする、一対の共振手段とを備え、前記前端面からから所定の距離で前記前端面の幅方向に
沿って移動する前記キューベットの内容物に、ほぼ均一
の音波を加える、ことを特徴とする超音波ホーン装置。
【請求項２】請求の範囲第１項記載の超音波ホーン装置
において、前記コンバータ手段は、ほぼ円筒形であり、
その軸線方向の一方の端面で前記ホーン本体の前記後端
面に固着されて前記後端面から垂直に延びている、こと
を特徴とする超音波ホーン装置。
【請求項３】請求の範囲第２項記載の超音波ホーン装置
において、前記コンバータ手段は、前記ホーン本体から
送出される音波の半波長に等しい音響長を有している、
ことを特徴とする超音波ホーン装置。
【請求項４】請求の範囲第１項記載の超音波ホーン装置
において、前記ホーン本体は、熱処理されたチタンで作
られている、ことを特徴とする超音波ホーン装置。
【請求項５】請求の範囲第１項記載の超音波ホーン装置
において、前記ホーン本体の前端面と後端面とが、音波
が前記ホーン本体から送出されているときその腹の面に
一致する寸法に、前記ホーン本体は構成されている、こ
とを特徴とする超音波ホーン装置。
【請求項６】請求の範囲第２項記載の超音波ホーン装置
において、前記コンバータ手段は、円筒形後部と、円筒
形結晶手段と、円筒形前部とを備え、この円筒形前部の
一方の端面は前記ホーン本体の前記後端面に接触し、他
方の端面は円筒形結晶手段の一方の端面に接触してお
り、前記円筒形結晶手段の他方の端面は前記円筒形後部
の端面に接触し、前記円筒形結晶手段の端面には振動が
発生し、そして、前記円筒形後部と前記円筒形前部およ
び前記円筒形結晶手段には、コンバータ手段を貫通する
軸口となる軸穴がそれぞれ設けられ、この軸口中を延び
て、前記円筒形後部と前記円筒形前部とを前記円筒形結
晶手段に締め付ける細長い締め結け手段が備えられてい
る、ことを特徴とする超音波ホーン装置。
【請求項７】請求の範囲第６項記載の超音波ホーン装置
において、前記円筒形後部の音響インピーダンスと、前
記円筒形前部の音響インピーダンスとは、ほぼ2.5:1の
比である、ことを特徴とする超音波ホーン装置。
【請求項８】請求の範囲第７項記載の超音波ホーン装置
において、前記円筒形後部はステンレス鋼製であり、前
記円筒形前部はアルミニウム製である、ことを特徴とす
る超音波ホーン装置。
【請求項９】請求の範囲第６項記載の超音波ホーン装置
において、前記円筒形結晶手段は、圧電材料製の軸を揃
えて並置した２つのディスクと、それらの相互に対向す
る面の間に配置され、それらの面に電位を印加する金属
製の接続要素とを有している、ことを特徴とする超音波
ホーン装置。
【請求項１０】請求の範囲第９項記載の超音波ホーン装
置において、前記締め結け手段は、前記円筒形後部を前
記円筒形前部に電気接続する金属製ねじ要素から成り、
前記２つのディスクの相互に対向していない面それぞれ
が共通電位にされている、ことを特徴とする超音波ホー
ン装置。
【請求項１１】請求の範囲第１項記載の超音波ホーン装
置において、前記ホーン本体は、前記後端面を有し、全
体として長方形の後半部分と、前記前端面を有し、全体
として長方形で前記後半部分より小さい厚みの前半部分
とを含み、前記後半部分と前記前半部分とは、一体に形
成されて、音波が前記ホーン本体から送出されるときそ
の節の面にほぼ一致するところにおいて厚みが変わる領
域が作られている、ことを特徴とする超音波ホーン装
置。
【請求項１２】請求の範囲第11項記載の超音波ホーン装
置において、前記後半部分の前記後端面の面積と、前記
前半部分の前記前端面の面積とは、ほぼ3:1の比であ
る、ことを特徴とする超音波ホーン装置。
【請求項１３】請求の範囲第１項記載の超音波ホーン装
置において、前記共振要素それぞれは、全体として円筒
形であって、その外周部に装着部材を納める装着溝を有
し、これらの装着溝は、音波が前記ホーン本体から送出
されるときその節の面にほぼ一致するところに形成され
ている、ことを特徴とする超音波ホーン装置。
【請求項１４】請求の範囲第６項記載の超音波ホーン装
置において、前記円筒形結晶手段は、音波が前記ホーン
本体から送出されるときその節の面にほぼ一致するとこ
ろに位置されている、ことを特徴とする超音波ホーン装
置。
【請求項１５】請求の範囲第１項記載の超音波ホーン装
置において、前記ホーン本体は、その厚み方向に貫通し
た細長い一対の穴を有し、各穴は、前記前端面22と前記
後端面に垂直なホーン本体中央線を挟んでそれから等距
離の位置に、相互に平行に延びて、好ましくない振動モ
ードを減衰させるよう形成されている、ことを特徴とす
る超音波ホーン装置。